CN107830876A - 一种压电传感器组件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压电传感器组件的制备方法，包括步骤：一、将低熔点金属材料粉末用模具压制或者将低熔点金属熔化后用模具浇注成内低熔点金属层和外低熔点金属层；二、将一定厚度的金属治具套入基座套杆的底部；三、在治具上围绕套杆依次放入内低熔点金属层、压电元件、外低熔点金属层，将质量块套入套杆；四、将基座及基座上的治具、治具上的内低熔点金属层、压电元件、外低熔点金属层和质量块整体放入电炉或箱炉中保温；五、随炉冷却或直接拿出自然冷却至低于金属材料熔点的温度；六、将金属治具从基座上取下，得到所需的压电传感器组件。本发明可提高传感器性能，降低制备的工艺条件和成本，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于传感器与换能器技术领域，特指一种应用于振动测试、监测与监控用的压电式传感器组件的制备方法。
背景技术
压电传感器基于压电材料的压电效应而工作，以其灵敏度高、使用温度范围宽、稳定性好等众多优点，在速度、加速度、压力、振动、冲击等测量、监测与监控方面具有广阔的应用前景。
目前使用压电式传感器主要采用螺母锁紧、环氧树脂粘接和夹圈的方式将压电元件及质量块安装在基座上，如图1所示的正端压缩型压电式传感器组件，基座10中间形成套杆102，压电元件13、质量块14依次层叠且套于套杆102上，套杆102上端形成螺纹结构，采用螺母16将压电元件13及质量块14锁紧在基座10，此外，压电元件13与基座10和质量块14之间还设有绝缘片15；如图2所示的环形剪切型胶粘制备的压电传感器组件，采用环氧树脂将压电元件13及质量块14粘接在基座的套杆102上，其中质量块14套在压电元件13上，压电元件13则套在基座的套杆102上，如图3所示的夹圈紧固剪切型压电传感器组件，采用夹圈17将压电元件13及质量块14夹持固定在基座10的套杆102上。
采用上述螺母锁紧和夹圈的方法制作的组件，可一次将压电元件13及质量块14紧固在基座10上，因存在一个预应力，使质量块14、压电元件13及基座10固定处之间几乎无间隙，同时质量块14与基座10作为导电电极，能有效避免传感器灵敏度输出异常，同时温度变化过程中，灵敏度随温度的变化不会产生大的偏差，但预应力的施加会使高d33及d15值的压电元件性能恶化，进而导致传感器灵敏度下降，稳定性变差，同时夹圈17为一种很特殊的金属材料，不适合实际的规模化生产。
上述采用环氧树脂及导电胶将压电元件13、质量块14固定在基座10上的方法制作的组件，需要非常熟练的操作员工在显微镜下进行操作，以防止涂覆环氧树脂过程中产生缺陷影响组件的质量，同时涂覆分两次才能完成，因此该压电传感器组件制作效率低，成本高。另外涂环氧树脂及导电涂胶，造成质量块、压电元件及基座固定处之间尺寸间隙会较大，从而影响传感器的灵敏度输出，灵敏度值不易控制，尤其是因质量块、压电元件、基座及有机物之间热膨胀系数不一致，导致出现热应力，而组件中使用质量块14与基座10作为导电电极，很容易导致灵敏度输出产生很大的偏差。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明提供一种压电传感器组件的制备方法，提升传感器性能（灵敏度），同时提高生产效率，降低生产成本。
为达成上述目的，本发明的解决方案为：
一种压电传感器组件的制备方法，包括以下步骤：
一、将低熔点金属材料粉末用模具压制或者将低熔点金属熔化后用模具浇注成内低熔点金属层和外低熔点金属层；
二、将一定厚度的金属治具套入基座套杆的底部；
三、在治具上围绕套杆依次放入内低熔点金属层、压电元件、外低熔点金属层，将质量块套入套杆，使内低熔点金属层、压电元件、外低熔点金属层夹置于套杆与质量块之间，压电元件夹置于内低熔点金属层与外低熔点金属层之间；
四、将基座及基座上的治具、治具上的内低熔点金属层、压电元件、外低熔点金属层和质量块整体放入电炉或箱炉中，在到达所述金属材料熔点的温度下中保温一段时间；
五、随炉冷却或直接拿出自然冷却至低于金属材料熔点的温度；
六、将金属治具从基座上取下，得到所需的压电传感器组件。
所述内低熔点金属层和外低熔点金属层均为圆环型或方片型。
所述低熔点金属材料为铜锡焊材料。
所述步骤四中，保温过程是在180～350℃中保温20～60min。
所述步骤五中，冷却至低于金属材料熔点的温度具体指冷却至150℃以下。
所述低熔点金属材料的熔点范围在180～350℃。
采用上述方案后，本发明的有益效果为：通过在压电元件的内外两侧放置低熔点的金属层，在达到该金属材料的熔点后，金属材料可熔化并粘附在压电材料、质量块及套杆上，从而使得质量块与外低熔点金属层之间、外低熔点金属层与压电元件之间、压电元件与内低熔点金属层之间、内低熔点金属层与套杆之间无间隙接触，同时在质量块、压电元件及基座之间无预应力，不会引起压电元件安装后性能衰减，能避免质量块、压电元件及基座固定处之间尺寸间隙大导致的热应力，减小传感器灵敏度随温度变化偏差，而且，本发明制得的压电传感器组件应用的传感器灵敏度易控制，而且本发明生产周期短，无需熟练的操作员工，工艺过程可控，批次之间稳定，生产成本低，便于规模化工业生产。
利用本发明方法制备的压电传感器组件适用范围广，可以用于压力传感器、加速度传感器、速度传感器、爆振传感器及振动传感器。
附图说明
图1为现有正端压缩型压电传感器组件结构外观剖面图；
图2为现有环形剪切型胶粘制备的压电传感器组件结构外观剖面图；
图3为现有夹圈紧固剪切型压电传感器组件结构外观剖面图；
图4为本发明制备过程中的剖面图；
图5为本发明实施例1和3的压电传感器组件剖视图；
图6为本发明实施例2和4的压电传感器组件剖视图。
附图标记：
10……基座 101……底座 102……套杆
11……治具
12……内低熔点金属层
13……压电元件
14……质量块
15……绝缘片
16……螺母
17……夹圈
18……外低熔点金属层。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式不以任何方式限制本发明的范围。本行业的技术人员应该了解，本发明不受本发明中实施例的限制，实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
一种压电传感器组件，包括压电元件13、内低熔点金属层12、外低熔点金属层18、质量块14和基座10；所述基座10包括底座101及形成于底座101中间的套杆102，所述质量块14为圆环形，质量块14套置在所述套杆102上，外低熔点金属层18、压电元件13和内低熔点金属层12由内之外依次夹置于质量块14与套杆102之间，而所述压电元件13夹置于内低熔点金属层12与外低熔点金属层18之间，且质量块14、外低熔点金属层18、压电元件13、内低熔点金属12层及套杆102相互之间无间隙接触，具体是说质量块14与外低熔点金属层18之间、外低熔点金属层18与压电元件13之间、压电元件13与内低熔点金属层12之间、内低熔点金属层12与套杆102之间无间隙接触。所述无间隙接触是通过内低熔点金属层12和外低熔点金属18层在达到一定温度后熔化，使得内低熔点金属层12的内外两侧分别无间隙地粘附在套杆102和压电元件13上，以及使得外低熔点金属层18的内外两侧无间隙地粘附在压电元件13和质量块14上。
上述的内低熔点金属层12和外低熔点金属层18均采用模具将低熔点金属材料浇注或压制而成，且金属材料为铜锡焊材料。内低熔点金属层12、外低熔点金属层18及压电元件13可以为圆环形或方片型，相对应的套杆102可以为圆柱形或方柱。
以下分四个实施例来介绍上述压电传感器组件的制备方法。
实施例1
一种压电传感器组件的制备方法，如图5所示，具体步骤包括如下：
S1.使用模具将低熔点锡铜焊粉末压制尺寸分别为Φ4.5×4.0×4mm和Φ8.0×7.5×4mm的锡铜焊圆环，即得到尺寸不同的圆环形内低熔点金属层12和外低熔点金属层18；
S2.将一定厚度的治具11套入基座10的套杆102底部，套杆102的外径Φ4.0mm；
S3.参见图5，在治具11上围绕套杆102依次放入Φ4.5×4.0×4mm内低熔点金属层12、Φ7.5×4.5×4mm压电元件13、Φ8.0×7.5×4mm外低熔点金属层18，然后将Φ12.5×8.0×5.5mm质量块14套入套杆，使内低熔点金属层12、压电元件13、外低熔点金属层18夹置于套杆102与质量块14之间，压电元件13夹置于内低熔点金属层12与外低熔点金属层18之间；
S4.将步骤S3所述组件整体放入电炉或箱炉中，在240℃中保温30min；治具11的作用是为低熔点金属层12和外低熔点金属层18、压电元件13及质量块14提供支撑，同时避免低熔点金属熔化后流出。
S5.随炉冷却或直接拿出自然冷却到150℃以下；
S6.将治具11从基座10的套杆102上取下，得到所需的压电传感器组件。
实施例2
一种压电传感器组件的制备方法，如图6所示，具体步骤包括如下：
S1.使用模具将低熔点锡铜焊粉末压制成尺寸为4.0×5.0×4.0mm的两个方片，即得到方形的内低熔点金属层12和外低熔点金属层18；
S2.将一定厚度的治具11套入基座10的套杆102底部；
S3.参见图6，在治具11上围绕套杆102依次放入内低熔点金属层12、压电元件13、外低熔点金属层18，然后将质量块14套入套杆102，使内低熔点金属层12、压电元件13、外低熔点金属层18夹置于套杆102与质量块14之间，压电元件13夹置于内低熔点金属层12与外低熔点金属层18之间；
S4.将步骤S3所述组件整体放入电炉或箱炉中，在240℃中保温30min；
S5.随炉冷却或直接拿出自然冷却到150℃以下；
S6.将治具11从基座10的套杆102上取下，得到所需的压电传感器组件。
实施例3
一种压电传感器组件的制备方法，如图5所示，具体步骤包括如下：
S1.使用模具将低熔点锡铜焊粉末熔化后浇注成尺寸为Φ4.5×4.0×4mm和Φ8.0×7.5×4mm的锡铜焊圆环，即得到圆环形的内低熔点金属层12和外低熔点金属层18；
S2.将一定厚度的治具11套入基座10的套杆102底部，套杆102的外径Φ4.0mm；
S3.参见图5，在治具11上围绕套杆102依次放入Φ4.5×4.0×4mm内低熔点金属层12、Φ7.5×4.5×4mm压电元件13、Φ8.0×7.5×4mm外低熔点金属层18，然后将Φ12.5×8.0×5.5mm质量块14套入套杆，使内低熔点金属层12、压电元件13、外低熔点金属层18夹置于套杆102与质量块14之间，压电元件13夹置于内低熔点金属层12与外低熔点金属层18之间；
S4.将步骤S3所述组件整体放入电炉或箱炉中，在250℃中保温40min；
S5.随炉冷却或直接拿出自然冷却到150℃以下；
S6.将治具11从基座10的套杆102上取下，得到所需的压电传感器组件。
实施例4
一种压电传感器组件的制备方法，具体步骤包括如下：
S1.使用模具将低熔点锡铜焊粉末熔化后浇注成尺寸为4.0×5.0×4.0mm的两个方片，即得到方形的内低熔点金属层12和外低熔点金属层18；
S2.将一定厚度的治具11套入基座10的套杆102底部；
S3.参见图6，在治具11上围绕套杆102依次放入内低熔点金属层12、压电元件13、外低熔点金属层18，然后将质量块14套入套杆102，使内低熔点金属层12、压电元件13、外低熔点金属层18夹置于套杆102与质量块14之间，压电元件13夹置于内低熔点金属层12与外低熔点金属层18之间；
S4.将步骤S3所述组件整体放入电炉或箱炉中，在250℃中保温40min；
S5.随炉冷却或直接拿出自然冷却到150℃以下；
S6.将治具11从基座10的套杆102上取下，得到所需的压电传感器组件。
综上实施例1-4，本发明提出的一种压电传感器组件的制备方法，而且，采用本发明方法制备的压电传感器组件在无预应力的条件下，利用低熔点金属的特点，在其熔化再凝固后，能够使得质量块14与外低熔点金属层18之间、外低熔点金属层18与压电元件13之间、压电元件13与内低熔点金属层12之间、内低熔点金属层12与套杆102之间无间隙接触，从而避免了压电元件13安装后性能衰减，减小传感器灵敏度随温度变化偏差，通过此结构制备的传感器灵敏度易控制，批次之间稳定。而且可避免胶粘工艺制备组件生产周期长、需熟练操作工及受热应力影响大，也避免夹圈工艺制备组件预应力导致压电元件性能恶化，使传感器制备周期大幅缩短的问题，同时也降低生产成本，产品的一致性好，适合大规模工业化生产。
Claims (6)
1.一种压电传感器组件的制备方法，包括以下步骤：
一、将低熔点金属材料粉末用模具压制或者将低熔点金属熔化后用模具浇注成内低熔点金属层和外低熔点金属层；
二、将一定厚度的金属治具套入基座套杆的底部；
三、在治具上围绕套杆依次放入内低熔点金属层、压电元件、外低熔点金属层，将质量块套入套杆，使内低熔点金属层、压电元件、外低熔点金属层夹置于套杆与质量块之间，压电元件夹置于内低熔点金属层与外低熔点金属层之间；
四、将基座及基座上的治具、治具上的内低熔点金属层、压电元件、外低熔点金属层和质量块整体放入电炉或箱炉中，在到达所述金属材料熔点的温度下中保温一段时间；
五、随炉冷却或直接拿出自然冷却至低于金属材料熔点的温度；
六、将金属治具从基座上取下，得到所需的压电传感器组件。
2.如权利要求1所述的一种压电传感器组件的制备方法，其特征在于：所述内低熔点金属层和外低熔点金属层均为圆环型或方片型。
3.如权利要求1所述的一种压电传感器组件的制备方法，其特征在于：所述低熔点金属材料为铜锡焊材料。
4.如权利要求1所述的一种压电传感器组件的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，保温过程是在180～350℃中保温20～60min。
5.如权利要求1所述的一种压电传感器组件的制备方法，其特征在于：所述步骤五中，冷却至低于金属材料熔点的温度具体指冷却至150℃以下。
6.如权利要求1所述的一种压电传感器组件的制备方法，其特征在于：所述低熔点金属材料的熔点范围在180～350℃。
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